淺談L-CNG加氣站工藝設(shè)計(jì)及潛在危險(xiǎn)性

陳立著 袁建軍

航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730010

淺談L-CNG加氣站工藝設(shè)計(jì)及潛在危險(xiǎn)性

陳立著*袁建軍

航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730010

詳細(xì)闡述了LNG/L-CNG加氣站的工藝流程，總結(jié)了LNG/L-CNG加氣站的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析了其潛在的安全危險(xiǎn)性。

L-CNG 工藝 設(shè)計(jì)

LNG汽車技術(shù)開發(fā)后，世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家均十分重視這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)和推廣，在十余年內(nèi)， LNG汽車和加氣站不斷增加，其中美國(guó)的LNG汽車和加氣站最多，在LNG車用技術(shù)上處于領(lǐng)先位置。LNG車用技術(shù)在我國(guó)仍處于發(fā)展初期。數(shù)據(jù)顯示，在2011年5月，全國(guó)LNG加氣站僅100余座，到2012年10月底，加氣站數(shù)量約385座，中石油已投產(chǎn)LNG加氣站數(shù)量最多。2012年12月1日開始，新版《天然氣利用政策》正式實(shí)施，該政策首次將LNG汽車納入鼓勵(lì)范圍內(nèi)。

隨著國(guó)內(nèi)LNG加氣站的建設(shè)的增加，國(guó)內(nèi)LNG汽車加氣流程逐漸成熟。采用LNG汽車加氣主要有兩種方法：① 直接采用液化天然氣LNG給汽車加氣；② 將液化天然氣進(jìn)行高壓氣化，形成CNG后像普通CNG汽車加注一樣應(yīng)用。第二種工藝在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用。通過汽車等運(yùn)輸工具將LNG運(yùn)到用氣地區(qū)，可以作為永久性氣源。但在一些地方出租車(CNG)等市場(chǎng)需求很大，采用LNG/L-CNG這種建站模式即可以滿足當(dāng)?shù)谻NG市場(chǎng)的需求，又可以開拓未來LNG市場(chǎng)。這種建站模式既可以加注CNG車輛，也可以加注LNG車輛。LNG/L-CNG加氣站具有安全、環(huán)保、使用面廣、運(yùn)行成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，將成為城市及偏遠(yuǎn)地區(qū)一種具備良好發(fā)展前景的加氣站類型。同時(shí)，由于液化天然氣單位體積能量較壓縮天然氣高，在車輛燃料儲(chǔ)存容積有限的情況下，LNG適合運(yùn)輸距離相對(duì)較長(zhǎng)、能耗大的車輛，比如公交車輛及重卡車輛等；CNG適合運(yùn)輸距離短、能耗小的車倆，比如出租車等。采用LNG/L-CNG這種建站模式可開拓多種加氣方式，帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。

LNG固有的特性和潛在的危險(xiǎn)性，使得LNG/L-CNG加氣站需要具有合理的工藝流程和安全的工程設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)闡述了LNG/L-CNG加氣站的工藝流程，總結(jié)了LNG/L-CNG加氣站的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析了其潛在的安全危險(xiǎn)性。

1 L-CNG加氣站工藝流程

L-CNG加氣站的工藝流程見圖1。整個(gè)流程主要包括：LNG卸車流程、調(diào)壓流程、LNG加氣流程和L-CNG加氣流程。

圖1 L-CNG加氣站的工藝流程

1.1 LNG卸車流程

卸車流程是把槽車內(nèi)的LNG轉(zhuǎn)移至LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的過程，有泵卸車方式和槽車增壓器卸車方式。目前通常利用增壓器配合泵卸車，使LNG經(jīng)過泵從液管進(jìn)儲(chǔ)罐。

1.1.1 泵卸車流程

(1)采用卸車裝卸臂連接槽車和槽車卸車口，通過加氣機(jī)的按鈕將系統(tǒng)調(diào)到“卸車模式”，系統(tǒng)自動(dòng)打開壓力平衡流程，儲(chǔ)罐壓力和槽車壓力相互平衡(注：如果槽車壓力高于儲(chǔ)罐壓力，可以不進(jìn)行這一步)。

(2)當(dāng)儲(chǔ)罐壓力降到設(shè)定壓力時(shí)，站控系統(tǒng)啟動(dòng)泵的預(yù)冷流程，通過槽車的LNG對(duì)泵進(jìn)行預(yù)冷。

(3)泵的溫度達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)泵和上進(jìn)液流程，開始上進(jìn)液。

(4)在上進(jìn)液過程中，由于過冷液體對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的冷卻作用，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力會(huì)逐步降低。

(5)儲(chǔ)罐液位達(dá)到90%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)；或當(dāng)槽車排液完畢，為防止泵氣蝕，系統(tǒng)控制自動(dòng)停機(jī)(泵池底部與泵池上方液位處壓力差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)停泵)。

1.1.2 增壓器手動(dòng)卸車

(1)LNG液體通過LNG槽車增壓口進(jìn)增壓氣化器，氣化后返回LNG槽車，提高LNG槽車的氣相壓力。LNG液體經(jīng)過LNG槽車的卸液口充入到LNG儲(chǔ)罐。自增壓卸車的動(dòng)力源是LNG槽車與LNG儲(chǔ)罐之間的壓力差。

(2)啟動(dòng)槽車自增壓流程，使壓力升高至需要壓力，開始卸車。

(3)當(dāng)槽車卸完或儲(chǔ)罐液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止卸車。

1.2 調(diào)壓流程

在正常操作期間，儲(chǔ)罐會(huì)自動(dòng)采用自增壓系統(tǒng)來穩(wěn)定自身的壓力。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力超過最高工作壓力時(shí)，儲(chǔ)罐設(shè)置有三種卸壓方式確保儲(chǔ)罐安全。

(1)罐內(nèi)氣相管路設(shè)置自力式降壓調(diào)節(jié)閥，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開，BOG開始向外排放；當(dāng)儲(chǔ)罐壓力降低至調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力，該閥自動(dòng)關(guān)閉。

(2)罐內(nèi)氣相管路設(shè)置手動(dòng)放空閥，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐壓力過高或系統(tǒng)發(fā)出儲(chǔ)罐超壓報(bào)警信號(hào)時(shí)，可通過安全閥旁路手動(dòng)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行卸壓，盡量避免因安全閥起跳后不回坐產(chǎn)生的BOG大量排放。

(3)罐內(nèi)氣相設(shè)置雙套安全閥。在整個(gè)站處于正常工作狀態(tài)下，未卸車、預(yù)冷及加氣時(shí)，系統(tǒng)均處于正常待機(jī)模式。在正常待機(jī)狀態(tài)，泵的氣相空間與儲(chǔ)罐氣相空間相通，售氣機(jī)容器的氣相空間與儲(chǔ)罐液相空間相通，其余回路(泵供液回路、卸車回路)處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.3 LNG加液流程

(1)加液前通過加液機(jī)按鈕將系統(tǒng)設(shè)定為“加液模式”，泵開始預(yù)冷。

(2)售氣機(jī)的溫度和泵出口壓力達(dá)到要求后，系統(tǒng)自動(dòng)打開加液流程。

(3)車用瓶?jī)?nèi)液體液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加液機(jī)自動(dòng)停止加液。

(4)在正常操作期間，儲(chǔ)罐會(huì)自動(dòng)采用自增壓系統(tǒng)來穩(wěn)定自身的壓力。

1.4 L-CNG加氣流程

1.4.1 LNG轉(zhuǎn)變?yōu)镃NG流程

儲(chǔ)罐內(nèi)LNG通過高壓柱塞泵進(jìn)行加壓，加壓后的LNG進(jìn)高壓氣化器得到CNG氣體(氣化后的氣體如果溫度低于設(shè)計(jì)值，需進(jìn)電浴式高壓氣化器)，后經(jīng)程控盤(儲(chǔ)氣瓶分高壓、中壓、低壓三組儲(chǔ)氣瓶，程控盤起分壓作用)再進(jìn)高壓氣瓶組儲(chǔ)存。

1.4.2 CNG加氣流程

高壓氣瓶組的CNG經(jīng)高壓軟管進(jìn)加氣機(jī)給車載瓶加氣。當(dāng)高壓氣瓶組壓力低于設(shè)定壓力，開啟泵和氣化器給氣瓶補(bǔ)氣加壓，滿足加氣要求。

2 L-CNG流程特點(diǎn)

LNG、L-CNG加氣站合建與傳統(tǒng)加氣站相比，克服傳統(tǒng)CNG加氣站建站時(shí)需要臨近天然氣管網(wǎng)，并且加氣站的占地面積大、投資多的缺點(diǎn)，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)LNG操作壓力低(約0.5MPa)、運(yùn)輸方便、安全性能好。

(2)LNG、L-CNG站以槽車運(yùn)輸送來的LNG為氣源，減小了加氣站建站對(duì)天然氣管網(wǎng)的依賴。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CNG和LNG汽車的加注工作，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)饧幼⒎N類多樣化。

(4)LNG、L-CNG站采用了LNG高壓氣化的方式供應(yīng)車用CNG，不采用壓縮機(jī)，減少了生產(chǎn)成本，也無壓縮機(jī)噪音。

3 流程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的要點(diǎn)

3.1 LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

LNG儲(chǔ)罐是整個(gè)工藝最重要的設(shè)備之一，它的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)加氣站的安全。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下方面[1]：

(1)儲(chǔ)罐內(nèi)筒的設(shè)計(jì)溫度不應(yīng)高于-196℃，設(shè)計(jì)壓力符合下列公式的規(guī)定：

當(dāng)設(shè)備最大工作壓力PW<0.9 MPa 時(shí)，設(shè)計(jì)壓力Pd≥PW+0.18 MPa；當(dāng)PW≥0.9 MPa時(shí)，Pd≥1.2PW。

(2)內(nèi)外罐之間應(yīng)設(shè)絕熱層，絕熱層應(yīng)與LNG和天然氣相適應(yīng)，并應(yīng)為不燃材料。

(3)儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置全啟封閉式安全閥，且不應(yīng)少于2個(gè)，其中1個(gè)應(yīng)為備用。安全閥的設(shè)置應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《固定式壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程》TSG R0004的有關(guān)規(guī)定。

(4)安全閥與儲(chǔ)罐之間應(yīng)設(shè)置切斷閥，切斷閥在正常操作時(shí)應(yīng)處于鉛封開啟狀態(tài)。避免將閥門誤操作關(guān)閉而發(fā)生危險(xiǎn)。

(5)與LNG儲(chǔ)罐鏈接的LNG管道應(yīng)設(shè)置可遠(yuǎn)程操作的緊急切斷閥。一旦發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)，可在遠(yuǎn)距離安全的切斷閥門，減少事故危害程度。

(6)LNG儲(chǔ)罐上應(yīng)設(shè)置液位計(jì)和高液位報(bào)警器。高液位報(bào)警器應(yīng)與進(jìn)液管道緊急切斷閥聯(lián)鎖。

(7)LNG儲(chǔ)罐高液位以上部位應(yīng)設(shè)置壓力表并將檢測(cè)信號(hào)傳送至控制室集中顯示。儲(chǔ)罐壓力是儲(chǔ)罐很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格控制儲(chǔ)罐壓力，防止超壓。

(8)LNG儲(chǔ)罐為真空罐，在罐內(nèi)與罐外之間應(yīng)設(shè)置檢測(cè)環(huán)形空間絕對(duì)壓力的儀器或檢測(cè)接口，滿足真空度要求。

(9)與儲(chǔ)罐氣相空間相連的管道應(yīng)設(shè)置可遠(yuǎn)程控制的放散控制閥。LNG為易揮發(fā)的液態(tài)，儲(chǔ)罐和管道內(nèi)均可產(chǎn)生氣相，必須采用放散管放空，為便于在緊急狀況下打開閥門，通常使用控制閥。

3.2 LNG潛液泵設(shè)計(jì)[1]

在卸車過程中最重要的設(shè)備是潛液泵，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾方面：

(1)充裝LNG汽車系統(tǒng)使用的潛液泵宜安裝在泵池內(nèi)，LNG儲(chǔ)罐的底部與潛液泵的頂部的高差應(yīng)滿足LNG潛液泵的性能要求。LNG為易揮發(fā)物質(zhì)，飽和蒸汽壓低，壓差過低會(huì)導(dǎo)致泵汽蝕現(xiàn)象，所以，設(shè)計(jì)時(shí)要計(jì)算泵和LNG儲(chǔ)罐安裝高度。

(2)潛液泵罐的回氣管道宜與LNG儲(chǔ)罐的氣相管道接通。這樣可以平衡泵和儲(chǔ)罐壓力，防止超壓。

(3)潛液泵罐應(yīng)設(shè)置溫度和壓力檢測(cè)儀表，可帶現(xiàn)場(chǎng)指示，并應(yīng)將檢測(cè)信號(hào)傳送至控制室集中顯示。溫度表主要看泵有沒有漏熱，保證泵的操作溫度在-162℃左右；設(shè)置壓力表檢測(cè)泵及管道的壓力，防止超壓。

(4)泵出口管道上應(yīng)設(shè)置全啟式安全閥和緊急切斷閥，泵出口宜設(shè)置止回閥。

3.3 氣化器設(shè)計(jì)[1]

LNG轉(zhuǎn)化成CNG的關(guān)鍵設(shè)備是氣化器，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾方面：

(1)氣化器的選用應(yīng)符合當(dāng)?shù)囟練鉁貤l件使用要求。氣化器為L(zhǎng)NG與空氣進(jìn)行換熱，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)低于當(dāng)?shù)囟緲O端溫度。

(2)氣化器的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于最大工作壓力的1.2倍。最大工作壓力一般為25MPa,所以設(shè)計(jì)壓力為30MPa。

(3)高壓氣化器出口應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)和壓力檢測(cè)儀表，并應(yīng)與柱塞泵聯(lián)鎖。溫度和壓力檢測(cè)儀表就地指示，并應(yīng)將信號(hào)傳送至控制室集中顯示。氣化器出口溫度是保證氣化效果的重要參數(shù)，所以出口應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)。壓力表是防止氣化器出口管線超壓，若壓力超過設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖停止柱塞泵。

3.4 管道設(shè)計(jì)[2]

L-CNG管材首先應(yīng)考慮低溫，LNG為低溫易燃材料，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾方面：

(1)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于1.2倍最大工作壓力，且不應(yīng)小于所連接設(shè)備(容器)的設(shè)計(jì)壓力與靜壓頭之和。

(2)加氣站管道材料應(yīng)保證等溫絕熱，材質(zhì)選取奧氏體304L不銹鋼無縫鋼管(06Cr19Ni10)，性能參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，管道材料符合《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》GB/T 14976-2012的規(guī)定。

(3)LNG管道所采用的絕熱保冷材料應(yīng)為具有良好防潮性能的不燃燒材料。LNG低溫管道絕熱層通常采用深冷用聚異氰脲酸酯PIR雙層管殼，低溫粘結(jié)劑粘連。低溫管道絕熱工程應(yīng)符合現(xiàn)行《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264的有關(guān)規(guī)定。

(4)閥門的選用應(yīng)符合現(xiàn)行《低溫閥門技術(shù)條件》GB/T 24918的有關(guān)規(guī)定。根據(jù)安裝位置不同，采用長(zhǎng)軸式和短軸式。

(5)柱塞泵進(jìn)出口管道上應(yīng)設(shè)置柔性、防振裝置[3]。

(6)放散管線上應(yīng)設(shè)置阻火器等防止回火的設(shè)施[3]。

(7)為了降低管道阻力，彎頭宜采用3D彎頭。

(8)LNG管道的兩個(gè)切斷閥之間應(yīng)設(shè)置安全閥或其他泄壓裝置，泄壓排放的氣體應(yīng)接入放散管，分別設(shè)置高壓和低壓放散管。LNG很容易氣化，當(dāng)兩個(gè)切斷閥關(guān)閉時(shí)管道極易超壓，所以必須設(shè)置泄壓裝置。

(9)LNG管架宜采用高密度PDIR管卡。

4 LNG潛在危險(xiǎn)性[4]

4.1 LNG主要組分及特點(diǎn)

LNG主要成分為甲烷及少量的乙烷、丙烷、N2及其他物質(zhì)，密度為430～470kg/m3，分子量16.04，常溫下為無色、無臭氣體，能溶于乙醚、乙醇，微溶于水。其閃點(diǎn)為-188℃，熔點(diǎn)為-182.5℃，沸點(diǎn)為-161.5℃，引燃溫度為538℃，爆炸極限為5.3%～15%。其危險(xiǎn)特性：與空氣混合能形成爆炸混合物，遇火星、高溫有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。

4.2 LNG的危險(xiǎn)性分析

LNG的危險(xiǎn)性主要源于LNG的以下特性。

4.2.1 易氣化

LNG是液化天然氣，極易氣化，因而一旦泄漏，就會(huì)迅速與空氣混合形成大面積的爆炸性氣體，一旦遇到極微小的火花，就可以形成爆炸。

4.2.2 易爆炸

液化天然氣在常溫常壓下為氣體狀態(tài)，在低溫或高壓的條件下被壓縮液化為液態(tài)，儲(chǔ)存在壓力容器中，具有熱脹冷縮的性質(zhì)，所以易膨脹，其受熱膨脹系數(shù)極大，約相當(dāng)于水的10～16倍。所以其受熱易膨脹極易發(fā)生爆炸事故。

4.2.3 易產(chǎn)生靜電

液化天然氣電阻率很高，所以當(dāng)液化天然氣從容器中高速噴出時(shí)，會(huì)與容器管口、噴嘴、破裂處與空氣發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，產(chǎn)生數(shù)千伏以上的靜電電壓。據(jù)測(cè)定，當(dāng)靜電電壓大于350V時(shí)，其放電火花就可引起液化天然氣燃燒和爆炸。

4.2.4 可嗅性

液化氣無特殊氣味，為了易于察覺泄漏，在液化天然氣中加乙硫醇等添加劑加臭。

4.2.5 易燃燒、易爆炸性危害

液化天然氣的爆炸下限低，當(dāng)液化天然氣在空氣中的濃度達(dá)到5.3%時(shí)，就能形成爆炸性氣體，只要有極微小的火星就可引燃引爆。

4.2.6 腐蝕危害

液化天然氣對(duì)容器有腐蝕性。由于液化天然氣中含有極少量的硫化物，硫化物能同容器內(nèi)壁表面的鐵原子發(fā)生化學(xué)作用，生成硫化亞鐵，附著于容器內(nèi)表面，因此對(duì)容器有腐蝕作用。其腐蝕作用可以不斷地使容器器壁變薄，降低容器的耐壓強(qiáng)度，導(dǎo)致容器形成貫穿性缺陷而引起爆炸；同時(shí)生成的硫化亞鐵粉末，會(huì)沉積在容器底部。這種粉末如隨殘液倒出，或使空氣大量進(jìn)排空液體容器內(nèi)，能與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，放熱而發(fā)生自燃。

5 結(jié)語

L-CNG加氣站是LNG與CNG兩種加氣方式的組合，L-CNG技術(shù)結(jié)合LNG運(yùn)輸方便、建站靈活和CNG汽車車載瓶簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適合國(guó)情。

LNG的性質(zhì)特征和潛在的危險(xiǎn)性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)，從本質(zhì)上避免事故的發(fā)生。

1 GB50156-2012,汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

2 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局. 全國(guó)壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材[M].中國(guó)石化出版社，2005.

3 NBT 1001-201,液化天然氣(LNG)汽車加氣站技術(shù)規(guī)范[S].

4 GB/T 19204-2003,液化天然氣的一般特征[S].

2016-10-24)

*陳立著：工程師。2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)化學(xué)工程與工業(yè)專業(yè)。從事設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：18193100992， E-mail:clz6722750@163.com。